開關(guān)電源并聯(lián)均流技術(shù)

Technique of Parallel Balanced Current in SMPS

摘要：討論幾種常用的開關(guān)電源并聯(lián)均流技術(shù)，闡述其主要工作原理及特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：均流主從控制電源內(nèi)阻

1引言

　　在實(shí)際應(yīng)用中，往往由于一臺(tái)直流穩(wěn)定電源的輸出參數(shù)（如電壓、電流、功率）不能滿足要求，而滿足這種參數(shù)要求的直流穩(wěn)定電源，存在重新開發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的過程，勢必加大電源的成本、延長交貨時(shí)間、影響工程進(jìn)度。因此在實(shí)用中往往采用模塊化的構(gòu)造方法，采用一定規(guī)格系列的模塊式電源，按照一定的串聯(lián)或并聯(lián)方式，分別達(dá)到輸出電壓、輸出電流、輸出功率擴(kuò)展的目的。

　　但是電源輸出參數(shù)的擴(kuò)展，僅僅通過簡單的串、并聯(lián)方式還不能完全保證整個(gè)擴(kuò)展后的電源系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。不論電源模塊是擴(kuò)壓還是擴(kuò)流，均存在一個(gè)“均壓”、“均流”的問題，而解決方法的不同，對(duì)整個(gè)電源擴(kuò)展系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性都有很大的影響。由于目前穩(wěn)定電源輸出擴(kuò)流應(yīng)用較多，本文僅討論開關(guān)電源并聯(lián)均流技術(shù)。均流的主要任務(wù)是：

　　（1）當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，每臺(tái)電源的輸出電壓變化相同。

　?。?）使每臺(tái)電源的輸出電流按功率份額均攤。

2提高系統(tǒng)可靠性方法

　?。?）在電源并聯(lián)擴(kuò)流過程中，為了提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，可采用N＋m冗余的方法。其中m表示冗余份數(shù)，m值越大，系統(tǒng)工作可靠性越高，但是系統(tǒng)成本也相應(yīng)增加。

　?。?）采用均流技術(shù)保證系統(tǒng)正常工作。在電源并聯(lián)擴(kuò)流中，應(yīng)用較為廣泛的辦法是自動(dòng)均流技術(shù)。它通過取樣、電子控制調(diào)節(jié)環(huán)路來保證整個(gè)系統(tǒng)的輸出電流按每個(gè)單元的輸出能力均攤，以達(dá)到既充分發(fā)揮每個(gè)單元的輸出能力，又保證每個(gè)單元可靠工作的目的。

　　（3）均流技術(shù)應(yīng)滿足條件：

　　·所有電源模塊單元應(yīng)采用公共總線。

　　·整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)有良好的均流瞬態(tài)響應(yīng)特性。

　　·整個(gè)并聯(lián)輸出擴(kuò)流系統(tǒng)有一個(gè)公共控制電路。

　?。?）常用的幾種并聯(lián)均流技術(shù)：

　　·改變單元輸出內(nèi)阻法（斜率控制法）

　　·主/從控制法（master/slave）

　　·外部控制電路法

　　·平均電流型自動(dòng)負(fù)載均流法

　　·最大電流自動(dòng)均流法（自動(dòng)主/從法、民主均流法）

　　·強(qiáng)迫均流法

3關(guān)于均流技術(shù)中常用的一些概念

3．1穩(wěn)壓源（CV）

　　電路框圖和特性曲線分別如圖1（a）、（b）所示，輸出電壓UO=RFUREF/R1

（a）

（b）

圖1

3．2穩(wěn)流源（CC）

　　電路框圖和特性曲線分別如圖2（a）、（b）所示，輸出電流IO=RFUREF/（RSR1）

（a）

（b）

圖2

3．3CV/CC（恒壓/恒流交疊）

　　特性曲線如圖3所示

圖3

4常用幾種均流技術(shù)的工作原理

4.1改變單元輸出內(nèi)阻法（斜率控制法、電壓下垂式、輸出特性斜率控制式）

實(shí)現(xiàn)方式：

　　·UO固定，改變斜率

　　·斜率固定，改變輸出電壓

　?。?）工作原理和特性曲線

（a）

（b）

圖4

見圖4（a）、（b），圖中△Imax=△UOImax/△Uslope，內(nèi)阻RO=△UO/△IO

　　當(dāng)單元輸出電流IO1增加時(shí)，IO1在電流檢測電阻RS上的壓降增加，致使A1輸出電壓增加，與單元電壓反饋信號(hào)Uf疊加后送至A2反相輸入端，經(jīng)A2放大后輸出Ur變負(fù)，利用這個(gè)Ur電壓控制單元輸出電流，從而實(shí)現(xiàn)均流。

　　由圖4（b）可以看出：當(dāng)?shù)湫椭怠鱑O=±0.1％,△Uslope=±2％,則△Imax=0.05Imax,即調(diào)整精度為5％。這種調(diào)節(jié)精度對(duì)大多數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說是能接受的。

　　（2）改變單元輸出內(nèi)阻法（斜率法）特點(diǎn)

　　·小電流時(shí)均流效果較差，這點(diǎn)可從公式

△Imax=0.05Imax看出。

　　·大電流時(shí)均流效果較好。

　　·對(duì)電壓源來說，內(nèi)阻RO（斜率）應(yīng)越小越好，但是這種均流方法利用改變RO來實(shí)現(xiàn)均流，降低了電源輸出的負(fù)載特性，即以犧牲電路的技術(shù)指標(biāo)來實(shí)現(xiàn)均流。

　　·隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，這種方法很容易實(shí)現(xiàn)程控，從而實(shí)現(xiàn)比較理想的均流控制特性。

4．2主/從控制法（Master/Slave）

　　（1）工作框圖

見圖5，在這種工作方式下用n個(gè)單元，其中一個(gè)單元（主控單元）工作在電壓源（CV）方式，其余n－1個(gè)單元工作于電流源（CC）方式，利用來自輸出電流的誤差電壓△U來實(shí)現(xiàn)均流控制。它實(shí)際上是由電壓環(huán)（外環(huán)）和電流環(huán)（內(nèi)環(huán)）構(gòu)成電流控制型的雙環(huán)控制，或說成是電壓控制的電流源。

　?。?）主要特點(diǎn)

　　·一旦主控單元出現(xiàn)故障則整個(gè)系統(tǒng)崩潰。

圖5

　　·由于電壓環(huán)工作頻帶寬，易受噪聲干擾。

　　·主/從單元間必須要有通訊聯(lián)系，所以整個(gè)系統(tǒng)較復(fù)雜。

　　·可靠性取決于主模塊，只能均流，不能構(gòu)成冗余系統(tǒng)。

　　·適用于n個(gè)功率單元的系統(tǒng)。

4．3外部電路控制法

　　（1）工作原理

　　每一個(gè)單元加一個(gè)輸出電流檢測電路來檢測它的電流，產(chǎn)生的反饋信號(hào)調(diào)節(jié)每個(gè)單元的電流，從而達(dá)到各單元間輸出均流的目的。在這種情況下，每個(gè)單元間應(yīng)有公共總線。

　?。?）優(yōu)缺點(diǎn)

　　·這種控制方法均流效果較好，但是每個(gè)單元需附加一個(gè)電流控制電路，成為控制環(huán)路的一部分，需滿足環(huán)路的總體要求，否則會(huì)降低單元的技術(shù)指標(biāo)及工作穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

　　·由于每個(gè)單元都需要一個(gè)控制電路，所以整個(gè)擴(kuò)流系統(tǒng)連線較多。

4．4平均電流型自動(dòng)負(fù)載均流法（自動(dòng)均流）

　?。?）工作框圖

見圖6，這種均流方式采用一個(gè)窄帶電流放大器，輸出端通過阻值為R的電阻連到均流母線上，n個(gè)單元采用n個(gè)這種結(jié)構(gòu)。

圖6

　　當(dāng)輸出達(dá)到均流時(shí)，電流放大器輸出電流I1為零，這時(shí)IO1處于均流工作狀態(tài)。反之，在電阻R上產(chǎn)生一個(gè)Uab，由這個(gè)電壓控制A1，由A1再控制單元功率級(jí)輸出電流，最終達(dá)到均流。

　?。?）特點(diǎn)

　　·均流效果較好，易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確均流。

　　·在具體使用中，如出現(xiàn)均流母線短路或接在母線上的一個(gè)單元不工作時(shí)，母線電壓下降，將使每個(gè)單元輸出電壓下調(diào)，甚至達(dá)到下限，以致造成故障。并且當(dāng)某一模塊的電流上升至Iomax時(shí)，電流放大器輸出電流也達(dá)到極限值，同時(shí)致使其它單元輸出電壓自動(dòng)下降。

　　·可以構(gòu)成冗余系統(tǒng)，均流模塊數(shù)理論上可以不限。

　　·缺點(diǎn)為了使系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程始終穩(wěn)定，通常要限制最大調(diào)節(jié)范圍，要將所有電壓調(diào)節(jié)到電壓捕捉范圍以內(nèi)。如果有一個(gè)模塊均流線短路，則系統(tǒng)無法均流。單個(gè)模塊限流也可能引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。在大系統(tǒng)中，系統(tǒng)穩(wěn)定性與負(fù)載均流瞬態(tài)響應(yīng)的矛盾很難解決。如果在圖6中的R支路上串一只二極管，則構(gòu)成所講的最大電流自動(dòng)均流法。

4．5最大電流自動(dòng)均流法（民主均流法，自動(dòng)主/從控制法）

　?。?）工作原理

　　將圖6所示均流框圖中的電阻R用一個(gè)二極管代替，二極管正端接a，負(fù)端接b。這樣只有當(dāng)n個(gè)單元中輸出電流最大的一個(gè)電流放大器輸出才能使二極管導(dǎo)通，從而影響均流母線電壓，進(jìn)而達(dá)到該單元均流調(diào)節(jié)作用。這種方法一次只有一個(gè)單元參與調(diào)節(jié)工作。

　?。?）特點(diǎn)

　　·在這種均流方式下，參與調(diào)節(jié)的單元由n個(gè)單元中的最大輸出電流單元決定，一次只有這個(gè)最大輸出電流單元工作，這個(gè)最大電流單元是隨機(jī)的，所以有人把這種均流方法叫做“民主均流法”。又由于一旦最大均流單元工作，它處于主控狀態(tài)，別的單元?jiǎng)t處于被控狀態(tài)，因此又有人把這種方法叫做“自動(dòng)主/從控制法”。

　　·由于二極管總有正向壓降，因而主單元均流總有誤差，而從單元的均流效果是較好的。美國優(yōu)尼則公司的UC3907集成均流控制芯片就工作在這種方式下。最大均流法的特點(diǎn)和平均電流法的特點(diǎn)相似。

4．6強(qiáng)迫均流法

　　所謂強(qiáng)迫均流，就是通過監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)均流。實(shí)現(xiàn)方式主要有軟件控制和硬件控制兩種。

　　軟件控制是通過軟件計(jì)算，比較模塊電流與系統(tǒng)

圖7

平均電流，然后再調(diào)整模塊電壓，使其電流與平均電流相等。軟件方式易于實(shí)現(xiàn)，均流精度高，但其瞬態(tài)響應(yīng)比較差，調(diào)節(jié)時(shí)間長。

　　硬件控制方式原理如圖7所示，取樣電壓Us與系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓Ur相比較產(chǎn)生誤差電壓Ue,該電壓送至每個(gè)模塊，與模塊電流相比較，調(diào)節(jié)模塊參考電壓，從而改變輸出電壓，調(diào)節(jié)輸出電流，實(shí)現(xiàn)均流。這樣，每個(gè)模塊都相當(dāng)于電壓控制的電流源。這種均流方式精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，可控制模塊多，可以很方便的組成冗余系統(tǒng)。

　　對(duì)這種硬件強(qiáng)迫均流方法的一種改進(jìn)就是所謂的PWM強(qiáng)迫均流法。工作原理如圖8所示。

圖8

　　強(qiáng)迫均流依賴監(jiān)控模塊，如果監(jiān)控模塊失效，則無法均流，這一點(diǎn)使用時(shí)應(yīng)注意。在強(qiáng)迫均流中，每個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控的模塊數(shù)可達(dá)100個(gè)，參數(shù)設(shè)置好后（即使模塊電壓相差較大，如1伏或更大）不需任何調(diào)整，均流精度高于2.5％,負(fù)載響應(yīng)快（在幾百ms內(nèi)），無振蕩現(xiàn)象。

5小結(jié)

　　本文主要討論了6種常用的均流技術(shù)。其中改變單元輸出內(nèi)阻法（斜率法）和最大電流自動(dòng)均流法、強(qiáng)迫均流法應(yīng)用較廣，并且已有現(xiàn)成的集成控制芯片。同時(shí)，隨著微處理技術(shù)的迅速發(fā)展，整個(gè)系統(tǒng)可采用智能總線結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)均流冗余控制、故障檢測、故障信息顯示等功能，就會(huì)使均流效果更理想、使用界面更友好、更方便。